ถ้าคุณผลักหนังสือบนโต๊ะจนกระทั่งมันขยับ คุณกำลังทำงานให้กับหนังสือเล่มนั้น ถ้าวัตถุตกลงสู่พื้นโลกเพราะแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงก็ทำงานให้กับวัตถุนั้น ในทางกลับกัน ถ้าคุณผลักวัตถุด้วยแรงทั้งหมดจนเหงื่อท่วมตัว แต่วัตถุนั้นไม่ขยับ แสดงว่าคุณไม่ได้ทำงานให้กับวัตถุนั้น ในชีวิตประจำวัน คนอื่นอาจพูดว่าคุณทำงานหรือออกแรงผลักวัตถุ แต่ตามหลักฟิสิกส์ แล้ว คุณไม่ได้ทำงานให้กับวัตถุนั้น เพราะวัตถุนั้นไม่มีการเคลื่อนที่
การกระทำต่อวัตถุสามารถทำได้โดยแรงคงที่ (ขนาดและทิศทางของแรงคงที่เสมอ) หรือแรงแปรผัน (ขนาดและทิศทางของแรงเปลี่ยนแปลงเสมอ) ตัวอย่างของแรงที่มีขนาดและทิศทางคงที่คือแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุเมื่อวัตถุอยู่ใกล้พื้นผิวโลก เมื่อวัตถุตกอย่างอิสระใกล้พื้นผิวโลก ขนาดและทิศทางของความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงจะคงที่ เพราะขนาดและทิศทางของแรงโน้มถ่วงที่เร่งวัตถุนั้นคงที่ ตัวอย่างของแรงที่มีขนาดไม่คงที่ (แต่ทิศทางของแรงคงที่) คือแรงของสปริงหากคุณยืดสปริง ยิ่งความยาวของสปริงเพิ่มขึ้นมากเท่าไร คุณก็จะยิ่งดึงมันแรงขึ้นเท่านั้น ขนาดของแรงที่กระทำต่อสปริงจะไม่คงที่เมื่อสปริงยืดออก อีกตัวอย่างหนึ่งคือเมื่อจรวดเดินทางขึ้นสู่อวกาศหรือกลับสู่พื้นผิวโลก เมื่อจรวดกำลังเคลื่อนที่ ขนาดของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อจรวดจะเปลี่ยนแปลงไปในทางตรงกันข้ามกับกำลังสองของระยะห่างจากศูนย์กลางของโลก
ในทางคณิตศาสตร์ งานที่ทำโดยแรงคงที่ต่อวัตถุนั้น นิยามได้ว่าเป็นผลคูณของการกระจัดกับแรง หรือส่วนประกอบของแรงในทิศทางเดียวกับการกระจัดของวัตถุ
งานที่ทำโดยแรงที่ไม่คงที่ เช่น สปริง ไม่สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรสำหรับงานที่ทำโดยแรงคงที่ ถ้าสปริงถูกยืดออก แรงดึงที่ต้องใช้ในการยืดสปริงก็จะมากขึ้นตามไปด้วย ในทำนองเดียวกัน ถ้าสปริงถูกบีบอัด เมื่อสปริงแน่นขึ้น แรงผลักที่ต้องใช้ในการบีบอัดก็จะมากขึ้นตามไปด้วย ตราบใดที่สปริงถูกกดหรือยืดออก แรงของสปริงจะเปลี่ยนจาก 0 (x = 0) ไปจนถึงค่าสูงสุด (F = kx) ดังนั้นแรงของสปริงจึงคำนวณโดยใช้ค่าเฉลี่ย
ตัวอย่างคำถาม
1. ข้อสอบระดับชาติ ปี 2018
ก้อนมวล m วางอยู่บนพื้นผิวเรียบ ก้อนนั้นหยุดนิ่งอยู่ที่ตำแหน่ง (1) และถูกดึงด้วยแรง F ไปยังตำแหน่ง (2) ในช่วงเวลา t ดังแสดงในรูป

โดยการปรับเปลี่ยนมวลและแรง จะได้ข้อมูลดังต่อไปนี้:

จากตารางข้างต้น งานที่วัตถุทำได้จากขนาดใหญ่ที่สุดไปจนถึงขนาดเล็กที่สุดคือ…
การอภิปราย
เป็นที่ทราบกันดีว่า:
ความเร็วเริ่มต้น (v o ) = 0
ถาม:
คำตอบ:
สูตรการคำนวณ:
W = F s ………. สูตร 1
สูตร GLBB:
s = v o t + 1/2 at 2
s = 1/2 ที่2
แทนค่าลงในสูตรที่ 1
W = F ( 1/2 ที่2 ) ………. สูตร 2
สูตรแรง:
F = ma
a = F / m
แทนค่าลงในสูตรที่ 2
W = 0,5 F (F/m) t 2
W = 0,5 (F 2 /m) t 2 ………. สูตร 3
ใช้สูตรที่ 3 ในการคำนวณความพยายาม
1) W = 0,5 (F 2 /m) t 2 = 0,5 (3 2 /12)(4 2 ) = (0,5)(9/12)(16) = (9/12) 8 = 6
2) W = 0,5 (F 2 /m) t 2 = 0,5 (4 2 /16)(3 2 ) = (0,5)(16/16)(9) = (1) 4,5 = 4,5
3) W = 0,5 (F 2 /m) t 2 = 0,5 (5 2 /20)(2 2 ) = (0,5)(25/20)(4) = (1,25) 2 = 2,5
4) W = 0,5 (F 2 /m) t 2 = 0,5 (6 2 /24)(1 2 ) = (0,5)(36/24)(1) = (1,5) 0,5 = 0,75
งานที่วัตถุต่างๆ ทำจากขนาดใหญ่ที่สุดไปจนถึงขนาดเล็กที่สุดคือ 1, 2, 3, 4
2. ข้อสอบระดับชาติ SMA/MA ปี 2017
ลังไม้หนัก 6 กิโลกรัมกำลังเลื่อนด้วยความเร็ว 8 เมตร/วินาทีบนระนาบเอียงขรุขระที่มีมุมเอียงα กับระนาบแนวนอน ถ้าแรงเสียดทานที่กระทำต่อลังไม้คือ 5 นิวตัน และ tan α = 3/4 แล้ว แรง F ที่ต้องใช้เพื่อหยุดลังไม้ที่ด้านล่างของระนาบเอียงคือ…
ก. 15 เอ็น
บี. 25 เอ็น
ซี. 45 เอ็น
ง. 55 เอ็น
ตะวันออก 69,4 เหนือ
การอภิปราย
เป็นที่ทราบกันว่า:
มวลของลัง (เมตร) = 6 กิโลกรัม
ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (g) = 10 m/ s²
ความเร็วเริ่มต้นของกล่อง (v o ) = 8 ม./วินาที
ความเร็วสุดท้ายของกล่อง (v t ) = 0 เมตร/วินาที (กล่องต้องหยุดก่อนถึงด้านล่างของพื้นเอียง)
แรงเสียดทาน (F friction ) = 5 N
ค่าแทนเจนต์ α = ด้านหน้า / ด้านล่าง = 3/4
ด้านตรงข้ามมุมฉาก = 5 เมตร
ถาม: F
คำตอบ :

ทฤษฎีงาน-พลังงานเชิงกล:
งานที่ทำโดยแรงที่ไม่คงตัว = การเปลี่ยนแปลงพลังงานกล
งานที่ทำโดยแรงที่ไม่เป็นอนุรักษ์ = การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์
มีแรงที่ไม่คงตัวอยู่สองแรง ได้แก่ แรงเสียดทานจลน์และแรง F
งานที่ทำโดยแรงเสียดทานจลน์ต่อกล่อง:
W = -(F ges )(s) = -(5)(5) = -25
เป็นค่าลบ เนื่องจากทิศทางของแรงเสียดทานตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของกล่อง
งานที่ทำโดยแรง F:
W = (F)(s) = (F)(5) = -5F
เป็นลบ เพราะทิศทางของแรง F ตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของลัง
การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์:
Δ EK = 1/2 ม. (โวลต์ เสื้อ2 – โวลต์2 ) = 1/2 (6)(0 2 – 8 2 ) = (3)(0-64) = (3)(-64) = -192
การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์โน้มถ่วง:
Δ EP = mgh = (6)(10)(-3) = -180
ค่า h เป็นลบเนื่องจากตำแหน่งสุดท้ายอยู่ต่ำกว่าตำแหน่งเริ่มต้น
ทฤษฎีงาน-พลังงานเชิงกล:
W nc = Δ EM
W ges + W F = Δ EP + Δ EK
-25 – 5F = -180 -192
-25 – 5F = -372
-5F = -372 + 25
-5F = – 347
F = -347 / -5
F = 69,4 นิวตัน
คำตอบที่ถูกต้องคือ E.
3. ข้อสอบระดับชาติ SMA/MA ปี 2017
ก้อนมวล 10 กิโลกรัม เลื่อนลงมาจากจุด A ผ่านจุด B และหยุดที่จุด C ดังแสดงในรูป สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ระหว่างก้อนกับพื้นผิวขรุขระคือ 0,2 ดังนั้นความยาวของเส้นทาง ABC คือ…
ก. 250 ซม.
ข. 200 ซม.
ค. 150 ซม.
ด. 100 ซม.
E. 80 ซม.
การอภิปราย
เป็นที่ทราบกันว่า:
มวลของบล็อก (เมตร) = 10 กิโลกรัม
ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (g) = 10 m/ s²
น้ำหนักของบล็อก (w) = mg = (10 kg)(10 m/s² ) = 100 นิวตัน
ความสูงของพื้นเอียง (h) = 30 ซม. = 0,3 เมตร
ความยาวของระนาบเอียง = 50 ซม. = 0,5 เมตร
สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ ( μk ) = 0,2
แรงเสียดทานจลน์ (f k ) = μ k N = μ k w = (0,2)(100 N) = 20 N
คำถาม:ความยาวของเส้นทาง ABC
คำตอบ :
พิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุจากจุด AB
พลังงานกลเริ่มต้นที่จุด A = พลังงานศักย์โน้มถ่วง = mgh = (10)(10)(0,3) = (10)(3) = 30 จูล
พลังงานกลสุดท้าย ณ จุด B = พลังงานจลน์
กฎการอนุรักษ์พลังงานกล:
พลังงานกลเริ่มต้น = พลังงานกลสุดท้าย
30 จูล = พลังงานจลน์
ดังนั้นพลังงานจลน์ ณ จุด B เท่ากับ 30 จูล
พิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุจากจุด BC
ทฤษฎีงาน-พลังงานกลกล่าวว่า งานที่ทำโดยแรงที่ไม่คงตัวนั้นเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลของวัตถุ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานกล = พลังงานกลสุดท้าย – พลังงานกลเริ่มต้น ในทางคณิตศาสตร์:
W NC = Δ EM
W NC = EM 2 – EM 1
วัตถุวางอยู่บนพื้นผิวเรียบ ดังนั้นพลังงานศักย์โน้มถ่วงจึงเป็นศูนย์ พลังงานกล (EM) = พลังงานจลน์ (EK)
พลังงานจลน์เริ่มต้น (EK 1 ) = พลังงานจลน์ ณ จุด B = 30 จูล
พลังงานจลน์สุดท้าย (EK 2 ) = พลังงานจลน์ ณ จุด C = 0 (บล็อกหยุด)
งานที่ทำโดยแรงที่ไม่คงตัวของ BC คือ งานที่ทำโดยแรงเสียดทานจลน์
W NC = – f k s = – 20 s
Jadi
W NC = EK 2 – EK 1
– 20 วินาที= 0 – 30
– 20 วินาที = – 30
20 วินาที = 30
s = 30/20 = 3/2 = 1,5 เมตร = 1,5 x 100 เซนติเมตร = 150 เซนติเมตร
ความยาวของราง ABC = 50 ซม. + 150 ซม. = 200 ซม.
คำตอบที่ถูกต้องคือ B.
4. ข้อสอบวิชาฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย (SMA/MA) ปีการศึกษา 2014/2015 ข้อที่ 8
ดูภาพต่อไปนี้! วัตถุชิ้นหนึ่งเลื่อนไปบนพื้นเอียงขรุขระที่มีสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเท่ากับ 0,4 ถ้าg = 10 ms⁻² แล้วความเร็วของวัตถุเมื่อมันกระทบกับด้านล่างของพื้นเอียงคือ...
2√5 มิลลิวินาที-1
B. 2 √7 ms -1
C. 2 √14 ms -1
D. 2 √19 ms -1
E. 2 √23 ms -1
การอภิปราย
ขณะดูภาพด้านล่างนี้
เป็นที่ทราบกันว่า:
ความสูงเริ่มต้น (h o ) = 6 เมตร
ความสูงสุดท้าย (h t ) = 0 เมตร
ความเร็วเริ่มต้น (v o ) = 0 (ในตอนเริ่มต้น บล็อกอยู่นิ่ง)
สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจ ลน์ ( μk ) = 0,4 ( เนื่องจากบล็อกเลื่อน ดังนั้นจึงเป็นสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ ไม่ใช่สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต )
ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (g) = 10 ms⁻²
cos θ = ล่าง/เฉียง = 8/10
ส่วนประกอบน้ำหนักในทิศทางแนวตั้ง = w y = w cos θ = mg cos θ = m (10) (8/10) = m (10)(4/5) = m (40/5) = 8 m
แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก = N = w y = 8 m
แรงเสียดทานจลน์ = f k = μ k N = μ k w y = (0,4)(8 m) = 3,2 m
คำถาม:ความเร็วสุดท้าย (v t )
คำตอบ :
ทฤษฎีงาน-พลังงานกล่าวว่า งานที่ทำโดยแรงที่ไม่คงตัวต่อวัตถุนั้นเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลของวัตถุ ตัวอย่างของแรงที่ไม่คงตัวคือแรงเสียดทานจลน์
Wnc = ΔEM
W nc = Δ EK + Δ EP
ข้อสังเกต:
Wnc =งานที่ทำโดยแรงที่ไม่คงตัว, ΔEM = การเปลี่ยนแปลงพลังงานกล, ΔEK = การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์, ΔEP = การเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์
การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์:
ΔEK = 1/2 ม. (vt2 - vo2) = 1/2 ม. (vt2 - 0) = 1/2 มิลลิโวลต์t2
การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักยภาพ:
Δ EP = mg (h t – h o ) = m (10)(0-6) = m (10)(-6) = – 60 m
งานที่เกิดจากแรงเสียดทานจลน์:
Wnc = – f k s = – ( 3,2 m)(10) = – 32 m
ค่านี้เป็นลบ เนื่องจากแรงเสียดทานจลน์ทำงานเป็นลบ โดยทิศทางของแรงเสียดทานจลน์ (ขึ้นด้านบน) จะตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ (ลงด้านล่าง)
คำนวณความเร็วสุดท้าย (v t ):
Wnc = Δ EK + Δ EP
– 32 ม. = 1/2 ม. โวลต์ เสื้อ2 – 60 ม
– 32 ม. = ม. (1/2 วท. 2 – 60)
– 32 = 1/2 v t 2 – 60
– 32 + 60 = 1/2 v t 2
28 = 1/2 v t 2
2 (28) = v t 2
56 = v t 2
v t = √4.14
v t = 2 √14 ms -1
คำตอบที่ถูกต้องคือ C.
5. ข้อสอบวิชาฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย (SMA/MA) ปีการศึกษา 2014/2015 ข้อที่ 8
ดูรูปด้านข้างสิ!
ก้อนวัตถุเลื่อนลงมาตามพื้นเอียงขรุขระ โดยมาถึงจุดต่ำสุดของพื้นเอียงด้วยความเร็ว 10 ms⁻¹ ถ้าแรงเสียดทานที่กระทำมีค่า 2 N และ g = 10 ms⁻² แล้วค่าของ h คือ ….
ก. 10 ม.
ข. 8 ม.
ค. 6 ม.
ด. 4 ม.
2 ม. ตะวันออก
การอภิปราย
เป็นที่ทราบกันว่า:
มวลของบล็อก (เมตร) = 1 กิโลกรัม
ความเร็วเริ่มต้น (v o ) = 0 (ในตอนเริ่มต้น บล็อกอยู่นิ่ง)
ความเร็วสุดท้าย (v t ) = 10 ms -1
ความสูงเริ่มต้น (h o ) = h
ความสูงสุดท้าย (h t ) = 0
แรงเสียดทานจลน์ (f k ) = 2 N
ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (g) = 10 ms⁻²
ถาม:ส่วนสูง (h)
คำตอบ :
งานที่เกิดจากแรงเสียดทานจลน์:
Wnc = – f k s = – (2 )(15) = – 30
ค่านี้เป็นลบ เนื่องจากแรงเสียดทานจลน์ทำงานเป็นลบ โดยทิศทางของแรงเสียดทานจลน์ (ขึ้นด้านบน) จะตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ (ลงด้านล่าง)
การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์:
ΔEK = 1/2 ม. (vt2 - vo2) = 1/2 (1)(102 - 0) = 1/2 (102) = 1/2 (100) = 50
การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักยภาพ:
Δ EP = mg (h t – h o ) = (1)(10)(0-h) = (10)(-h) = -10 h
สูตรสำหรับทฤษฎีงาน-พลังงานเชิงกล:
Wnc = Δ EK + Δ EP
– 30 = 50 – 10 ชม.
10 ชั่วโมง = 50 + 30
10 ชั่วโมง = 80
h = 80/10
h = 8 เมตร
คำตอบที่ถูกต้องคือ B.